Rolando Apaza Campos
HIDROGEÓLOGO
Estudio de la
Zona Saturada
Y
Acuíferos
Rolando Apaza Campos
HIDROGEÓLOGO
EFECTOS DEL AGUA DE LA ZONA SATURADA EN
EL COMPORTAMIENTO GEOMECÁNICO DE LOS
SUELO
El comportamiento del suelo entre sólido a fluido viscoso, varía
según contenido de humedad en los poros (Límite de Atterberg)
Cambio de tensiones efectivas: Ubicación de la superficie freática ,
consolidación.
Empujes de agua sobre estructuras
Congelamiento en suelos
Fuerzas de infiltración sobre estructuras de suelo
PRESENCIA DE AGUA EN EL ESPACIO POROSO
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HIDROGEÓLOGO
.- Agua en la zona saturada
.- Porosidad y tipos de porosidad
.- Acuífero poroso y fracturado
Ejem: Acuífero Maure
T E M A S
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HIDROGEÓLOGO
POROSIDAD
Medio de circulación de las aguas subterráneas, que determina
tipos de flujos: continuos, discontinuo, disperso
Porosidad granular.- es función de la forma de
las partículas, grado de compactación y
cementación, distribución del tamaño de las
partículas
Porosidad de fracturas depende : grado
de fracturamiento, abertura, extensión,
relleno
Rolando Apaza Campos
HIDROGEÓLOGO
100Vt
VsVtη
100
Vt
Vv
CÁLCULO DE POROSIDAD
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HIDROGEÓLOGO
Cálculo de Índice de vacíos (e)
eVv
V Vv
Vv
Vs
e
e
1
1e
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HIDROGEÓLOGO
Tipos de porosidad en
Formaciones Geológicas
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HIDROGEÓLOGO
RELACIÓN: AGUA, SÓLIDOS, AIRE EN MUESTRAS DE SUELO
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HIDROGEÓLOGO
VARIACIÓN DE LA POROSIDAD
EN MEDIOS POROSOS Y FRACTURADOS
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HIDROGEÓLOGO
PARÁMETROS DEFINEN LA CAPACIDAD
POTENCIAL DEL MEDIO PARA LA CIRCULACIÓN
DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS
POROSIDAD
Conductividad hidráulica “k”
Transmisividad “T”
Almacenamiento “S”
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HIDROGEÓLOGO
HOMOGENEIDAD / HETEROGENIDAD DE PARÁMETROS DE
POROSIDAD Y CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA
HOMOGÉNEO
ISOTROPICO
HOMOGÉNEOANISOTROPO
1 Kx
HETEROGÉNEO
ISOTROPICO
HETEROGÉNEO
ANISOTROPO
K1>k2
1 K
1 Kx
2 Ky
Kx ≠Ky varía en
todas direcciones
3 Kx
1 Ky 3 Ky
Ky
Kx
Kx = Ky
Kx < Ky
Kx = Ky varía
en el espacio
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HIDROGEÓLOGO
POROSIDAD DE MATERIALES GRANULARES
Y FRACTURADOS
El grado se selección de granos
determina régimen de flujo,
velocidad de transito de aguas
subterráneas
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HIDROGEÓLOGO
POROSIDAD EFECTIVA (Sy)
RETENCIÓN ESPECÍFICA (Sr)
Porosidad total (ή) = Sy + Sr
POROSIDAD TOTAL
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HIDROGEÓLOGO
Retención específica (Re).Es la cantidad de agua retenida por unidad
de volumen de material. Equivale a la
Capacidad de campo
Porosidad Efectiva (Sy).
Cantidad de agua drenada por unidad
de volumen de material,
por efecto de gravedad
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HIDROGEÓLOGO
Porosidad Eficaz = Porosidad efectiva (e)
= Caudal específico o Specific Yield (Sy ).
Volumen de agua drenado
(gravedad) por unidad de volumen
de material roca o sedimento (área
x diferencia de carga)
adecdiferenciaxArea
dporgravedadrenadaAguaVolSe y
arg....
...
realV
KIe
.. eA
QrealV
...
si
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Porosidad
Total
Porosidad
Eficaz
Sy
Retención
Específica
Re
Porosidad Total () = Porosidad eficaz (e o Sy) + Retensión específica (Re)
= Sy + Re
RELACION
POROSIDA TOTAL
(), RETENSIÓN
ESPECÍFICA (Re ) Y
POROSIDAD
ESPECIFICA (Sy)
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HIDROGEÓLOGO
Valores estimados de la porosidad (%),Sanders (1998)
Tipo de formación Total % Eficaz %
Arcillas
Limos
Arenas finas, arenas limosas
Arena gruesa o bien clasificada
Grava
Shale intacta
Shale fraturada/alterada
Arenisca
Calizas, dolomías NO carstificadas
Calizas, dolomías carstificadas
Rocas ígneas y metamórficas sin fracturar
Rocas ígneas y metamórficas fracturadas
40 a 60
35 a 50
20 a 50
21 a 50
25 a 40
1 a 10
30 a 50
5 a 35
0,1 a 25
5 a 50
0,01 a 1
1 a 10
0 a 5
3 a 19
10 a 28
22 a 35
13 a 26
0,5 a 5
0,5 a 10
0,1 a 5
5 a 40
0,0005
0,00005 a 0,01
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HIDROGEÓLOGO
ACUÍFERO Conceptos: Formación geológica de propiedades hidráulicas
que permite el almacenamiento de agua subterránea y facilitar el
transito a través del espacio poroso en condiciones naturales
Baja porosidad, buena
conductividad hidráulica
Alta porosidad, baja
conductividad hidráulica
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HIDROGEÓLOGO
CLASIFICACIÓN DE FORMACIONES GEOLÓGICAS
EN FUNCIÓN DE ALMACENAMIENTO Y DRENAJE
Uso en cartografía hidrogeológica
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HIDROGEÓLOGO
ACUIFERO LIBRE
CLASES DE ACUIFEROS
El límite superior del acuífero
constituye la Superficie Freática.
Los puntos de la superficie
freática se encuentran a presión
atmosférica P=0
Las áreas de recarga de acuíferos
confinados, son acuíferos libres.
Clasificación de acuíferos libres:
Drenante (semipermeable) y
no drenante (base
impermeable)
ACUIFERO
FISURADO
ACUIFERO
DETRITICOACUIFERO
KÁRSTICO
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HIDROGEÓLOGO
ACUIFERO CONFINADOS(no drenantes )
En función de la carga
hidráulica, el nivel de agua
puede situarse:
Encima de los estratos
confinantes, superficie del
suelo (pozo surgente)
El nivel de agua en el pozo
muestra la carga
hidráulica del acuífero
La presión del agua en el techo del acuífero
es superior a la presión atmosférica.
límite superior e inferior esta limitado por
estratos impermeables - Acuicluido
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HIDROGEÓLOGO
Carga hidráulica y nivel potenciométrico
de acuíferos confinados
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HIDROGEÓLOGO
Acuíferos Regionales
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HIDROGEÓLOGO
.
.- Acuífero limitado por formación (es) semipermeable de menor resistencia hidráulica (Conductividad hidráulica k) que facilita el flujo verticalascendente o descendente de aguas subterráneas.
.- La diferencia de carga hidráulica de acuíferos adyacentes () genera flujos verticales de agua a través de las formaciones semiconfinantes.
ESQUEMA DE FLUJO
VERTICAL EN ACUÍFEROS
SEMICONFINADOS
ACUÍFEROS SEMICONFINADOS (Drenante)
.- Si la carga hidráulica del acuífero
1 ( 1) es mayor que la carga
hidráulica del acuífero 2 (2),
entonces el acuífero 1 induce
agua al acuífero 1 de menor
carga hidráulica.
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HIDROGEÓLOGO
¿COMO SE DETERMINA EL FLUJO VERTICAL DE LAS
AGUAS SUBTERRÁNEAS?
Se establece un programa de control potenciométrico sistemático .
Los piezómetros deben ser instalados en el acuífero y capas semipermeables
Con medida de niveles potenciométricos se elabora mapas equipotenciales.
En mapas equipotenciales se interpreta dirección de flujo
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Acuíferos colgados
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HIDROGEÓLOGO
GEOLOGÍA DE AGUAS SUBTERRÁNEAS
La distribución de acuíferos es controlado por
3 variables
Litología Estratigrafía Estructura
.- Tipo de sedimento o
roca
.- Grado de compactación
Relaciones geométricas
de los acuífero:
Lentes, Formaciones,
etc
Estructuras
neotectónicas
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HIDROGEÓLOGO
Acuíferos en Formaciones Geológicas
Por la naturaleza del medio
Medio Inconsolidado Medio consolidado
Depósitos fluvio
aluviales
ACUIFEROS
POROSOS
Rocas
Sedimentarias
ACUIFEROS FRACTURADOS
Rocas
Igneas
Rocas
metamorficas
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HIDROGEÓLOGO
ACUIFEROS EN MEDIOS INCONSOLIDADOS (POROSOS)
Acuíferos formado por depósitos: fluviales, aluvionales y coluviales
Compleja distribución de litofacies (materiales sedimentarios)
Distribución heterogénea de propiedades hidráulicas.
El espesor de los sedimentos varían horizontal como verticalmente
ZONA DE INTERÉS HIDROGEOLÓGICA
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HIDROGEÓLOGO
Acuíferos formados por depósitos eólicos o
dunas
POROSIDAD DE ALGUNOS MATERIALES NO CONSOLIDADOS
Material Porosidad (n) % Porosidad eficaz nef %
Arcilla limosa 0,45 – 0,60 0,01 – 0,05
Limo Arcilloso 0,40 – 0,55 0,03 – 0,08
Limo Arenoso 0,30 – 0,40 0,05 – 0,10
Arena bien graduada 0,30 – 0,40 0,10 – 0,15
Arena gravosa 0,28 – 035 0,15 – 0,20
Grava arenosa 0,25 – 0,35 0,20 – 0,25
Sedimento formado por: arenas media a finas y limos de
regiones costeras, presentan textura uniforme, granos
redondeados homogéneos.
K= 10 – 4 x 10 –6 m/s., Porosidad varia entre 30 a 40 %
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HIDROGEÓLOGO
VENTAJAS DE EXPLORACIÓN DE ACUÍFEROS
INCONSOLIDADOS
.- Son medios de fácil acceso para captar aguas subterráneas.
.- Se presentan en zonas de alta acción geodinámica: valles,
deltas, áreas fluvio-lacustres , paleocauces, ríos, riachuelos
- La superficie freática de acuíferos libres son de poca
profundidad
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HIDROGEÓLOGO
Acuíferos formados en zonas de intensa
actividad geodinámica: conos aluvialesAcuiferos formados en zonas de meandros
abandonados y paleocanales
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HIDROGEÓLOGO
Indicadores de
profundidad
de superficie
freática
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HIDROGEÓLOGO
Vulnerabilidad
de acuíferos
porosos, poco
profundos
.- Contaminación por
pozos sépticos
.- Contaminación por
grifos de hidrocarburos
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HIDROGEÓLOGO
Interferencias de bombeo de pozos explotación
Evolución de radio de influencia de pozos de explotación
R
Acuífero libre
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HIDROGEÓLOGO
HIDROGEOLOGIA DE
CUIFEROS
FRACTURADOS
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HIDROGEÓLOGO
BASE DE ESTUDIOS HIDROGEOLÓGICOS
DE MEDIOS FRACTURADOS
Mapeo estructural al detalle de estructuras
neotectónicas
1. Red de fracturas /discontinuidades
2. Relleno de fracturas (si existe)
3. Enlace con estructuras regionales
4. Evaluación de zona meteorizada (espesor)
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HIDROGEÓLOGO
PorosidadLas discontinuidades constituyen las principales estructuras de
almacenamiento y movimiento de fluidos (porosidad secundaria)Algunas discontinuidades como: fallas y diques, suelen actuar
como barreras o fronteras de flujo . La distribución de estas discontinuidades no es uniforme.
Conductividad Hidráulica K La conductividad hidráulica (k) está determinada por el tamaño
de abertura de las discontinuidades , distribución y grado de uniformidad.
CARACTERÍSTICAS DE ACUIFEROS
FRACTURADOS
Planos de
estratificación
Foliación y clivaje
Fracturas (y diaclasas)
Fallas
Zonas de menor resistencia hidráulica
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HIDROGEÓLOGO
CARACTERISTICAS DE LOS ACUIFEROS
FRACTURADOS
La Conductividad hidráulica (k) y cantidad de flujo varía de manera espacial.
Ptan. propiedades hidráulicas heterogéneas por volumen de roca, tipo de formación y
espesor de la formación
Las velocidades de flujo a través de las fracturas individuales pueden ser
extremadamente altas, sin embargo las fracturas usualmente ocupan solo una pequeña
parte del macizo rocoso
El promedio del flujo volumétrico es variable.
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Zonas de menor Resistencia Hidráulica
Planos de estratificación
Singhal & Gupta,1999
FOLIACION
Larsson, 1985
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FRACTURAS
Y
DIACLASAS
Singhal & Gupta,1999
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HIDROGEÓLOGO
Forman acuíferos en función de la porosidad primaría o porosidad secundaria.
Son de importancia hidrogeológica las rocas que presentan de regular a buena K
Rocas de grano fino como las Lutitas y limolitas, presentan baja K
CARACTERÍSTICAS DE ACUIFEROS
Control estructural de flujos
Control
estructural
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CARACTERÍSTICAS DE ACUÍFEROS EN ARENISCAS
Forman acuíferos regionales y almacenan grandes volúmenes de agua
Estudios sedimentológicos permiten evaluar la distribución de K
Las areniscas pueden presentar baja (K) debido a la compactación y cementación (Ca, Qz y min. de arcillosos)
La porosidad en algunos casos es inferior a 1% y K = 1-10 m/s
La porosidad decrece sistemáticamente 1,3% cada 300 m de Prof.
En estratificaciones delgadas o multicapas, la K varía en dirección Horiz. Y Vert.
La K puede presentar diferencias del orden de 10 a 100 veces
El 82 % de muestras de areniscas presentan una relación entre kh /kv = 1,5
el 12 % kh /kv = 3
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ACUÍFEROS FORMADOS EN ROCAS
CALCAREAS
Acuíferos en rocas carbonatadas: Calizas, dolomitas y margas
La porosidad está relacionada con nivel de fracturamiento y formación de grietas varían entre 20 a 50 %
K primaria en calizas y dolomitas es < 10 -7 m/s (baja capacid)
La disolución de minerales de calcita y dolomita por circulación de aguas, mejora K
La capacidad de producción de pozos en las Fms calcareas (Q l/s), es variable.
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HIDROGEÓLOGO
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HIDROGEÓLOGO
H2O + CO2 = H2 CO3
El ácido carbónico afecta a rocas
carbonatadas como calizas que están en
contacto con el agua.
Magnitud de reacción con el ácido depende
de :
La cantidad de carbonatos en la roca.
Concentración de ácido carbónico
Movimiento y velocidad del agua.
Temperatura del agua
Formación de
estructuras en
calizas
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HIDROGEÓLOGO
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AGUAS SUBTERRÁNEAS EN ROCAS VOLCÁNICAS E IGNEAS
Propiedades hidráulicas
Tipo de
roca
Tipo de vacíos y
Porosidad %
Conductividad
Hidráulica K m/dia
Caudal máximo
L/ seg
Andesita,
Riolitas,
Basaltos
Porosidad primaria:
intergranular
Roca compacta = 1%
Pobre
menor a 10-2
Porosidad secundaria:
Grietas de enfriamiento
Fractura o diaclasa
Orificios de enfriamiento.
Contacto estratigráfico.
Varía en función de
grado de fracturamiento
y estructuras presentes.
Generalmente
presentan K variable
10–2 <k<10
Varia en función
estructuras y zonas
de recarga
Casos excepcionales
28 – 60
Tobas,
Brechas,
Piedra
pómez
Porosidad primaria,
Similar a formaciones
sedimentarias = 85 %
Regular a buena
1<K<10
10 – 40
Porosidad secundaria
Fracturas, fallas
Alta
10<k<100
30 – 70
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AGUAS SUBTERRÁNEAS EN ROCAS VOLCÁNICAS E IGNEAS
Propiedades hidráulicas.
Son rocas impermeables, por que su porosidad es casi nula.
En cuarcitas, micaesquistos, granitos, etc presentan K = 10-6 a 10-8 m/dia.
La porosidad secundaria (fracturamiento) mejoran Prop. Hidráulicas.
La K decrece con la profundidad al igual que el rendimiento de los pozos.
Para Seleccionar áreas favorables para ubicación de pozos, es importante
realizar trabajos mapeo estructural detallado
Tipo de roca Tipo de vacíos y
Porosidad %
Conductividad
Hidráulica K m/dia
Caudal máximo
L/ seg
Granitos
granodioritas
Cuarcitas
Pizarras
Gneis
Porosidad primaria
intergranular
Roca compacta = 1%
Pobre
menor a 10-4
Porosidad secundaria
Fracturas
Fallas
Varia en función de grado
de fracturamiento
1 a 10-3
Variable
0,8
casos excepcionales
25
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HIDROGEÓLOGO
Rolando Apaza Campos
HIDROGEÓLOGO
BIBLIOGRAFÍA
FEITOZA & FILHO (1997) Hidrogeología Conceptos y
Aplicaciones Brasil. Edit. CPRM 389 P.
FREEZE, R Y CHERRY, J (1979). GROUNDWATER.
USA - New Jersey. Edit. Pretence Hall 604 Pg
FETTER, C (1994). APLIEED HYDROGEOLOGY. Edición
III. USA. Edit. Pretence may. 691 Pg
Rolando Apaza Campos
HIDROGEÓLOGO
IMAGEN SATELITE EN EXPLORACIONES
HIDROGEOLÓGICAS
ACUIFEROS VULCANO SEDIMENTARIOS EN EL
ALTIPLANO PERUANO BOLIVIANO
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HIDROGEÓLOGO
IMAGEN SATELITE LANDSAT BANDAS 742 CUENCA DE RIO AMURE: SUBCUENCA DE RIUCHUSUMA Y RIO KAÑO
69 20'O
69 50O ’
17 40O ’
17 30O ’
PERU
CHILE
PERU
CHILE
BO
LIVIA
BOLIVIA
PA-7
PA-3
PA-5
PA-4
PA-1
PA-10
PA-9
PA-6
PA-12 PA-8
PA-13
P-7
P-3
P-2
P-4 P-5
P-9
P-10
Pch-ALT
P-12
P-13PA-10
P-1
C. Condorpico
Cor
dille
ra d
el B
arr
oso
N.Paucarani
Río
C. La Monja
17 40O ’
17 30O ’
69 50O ’ 6 ’9 20
O
N
Limite de fronteraLimite de subcuencaPozo profundopozo superficial
LEYENDA
P-12
FUENTE: Información elaborado por el autor sobre base de imagen satélite LANDSAT 742 (1995) obtida de Instituto de Recursos de Desarrollo “ IRD” .
Fm SenccaFm PérezFm Oxaya
TQ-vseQ Fluvioglacial ou Fm Charaña Fm Chiu Chiu
Q-flgFm Barroso
LEGENDA
TQ-vse
Q-flg
Q-flg
TQ-vse
Charaña
Ayro
Rio Kano O
Rolando Apaza Campos
HIDROGEÓLOGO
RASGOS MORFOTECTONICOS DE INTERÉS HIDROGEOLÓGICA- ÁREA
DE FRONTERA PERU, BOLÍVIA E CHILE
N
0 5 10 Km
Falha reconhecida
Limite de fronteira
Limite da sub- bacia
LEGENDA
69 20'O
69 50O ’
17 40O ’
17 30O '
PERU
CHILE
PER
U
CHILE
BO
LIV
IA
BOLIVIA
C. Condorpico
Cord
illera
del B
arr
oso N.Paucarani
Río Uchusuma
C. La Monja
17 40’O
17 30O '
69 50O ' 69 20
O '
Laguna
Blanca
AYRO
CHARAÑA
F1
F2
F3
F4
F5
F6
Rolando Apaza Campos
HIDROGEÓLOGO
MODELO DE RELIEVE DIGITALDE LA CUENCA DE RIO UCHUSUMA Y KAÑO
Rio Uchusuma
Rio Kaño
RIO MAURE
PERU
BO
LIVIA
CHILE
CHIL
E
BO
LIV
IA P
ER
U
Limite de la subcuencade rio Uchusuma y Kaño
Limite territorial
Rio
LEYENDA:
N
0 5 10 Km
Nev. Cerke
Cor
d. E
L B
AR
RO
SO
CH
AR
AÑ
A
AYRO
Nev. Condorpico
FUENTE: Información elaborado con datos de Aero Interferometro de Radar de la USGS-E.U
Nev. Paucarani
Nev. Huencune
Nev
. Mon
ja
Nev. Queñuta
Pacocahuauchusuma
MODELO DIGITAL DE RELIEVE DE LA CUENCA DE RIO MAURE
Rolando Apaza Campos
HIDROGEÓLOGO
Formación Capillune
Fm Senca - Perú
Fm. Pérez - Bolivia
Fm. Oxaya- Chile
Fm. Maure - Perú
Fm.Mauri Bolivia
Acuífero libre
Acuífero
confinado a
semiconfinado
Depósitos aluviales, fluvioaluviales,
morrenas - Perú
Fm Charaña - Bolivia
Fm. Chiuchiu - Chile
Volc. Huilacollo - Perú
Fm Abaroa - Bolivia
Impermeble
Ignimbritas
impermeables
Rolando Apaza Campos
HIDROGEÓLOGO
0 50 100 150 200 250
300
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
PERMEABILIDADE
Alta.
Ba ixa a meia
Im permeável
R2
R1
PN
Resistividade ohm .m/Pot. Nat. MV
P r o
f u
n d
i d a
d e
m
.
350
Fm.
SENCCA
Fm.
MAURE
Fm.
CHARAÑA
Fm.
CAPILLUNE
Rolando Apaza Campos
HIDROGEÓLOGO
PERFIL GEOLÓGICO - GEOFÍSICO DE LA ZONA DO AYRO Y RIO KAÑO- PERU SE - NW
Rolando Apaza Campos
HIDROGEÓLOGO
35-X/Rio Maure
36-X/Palca
34-Y/Pizacoma
34-v/Huaytire
33-X/Ilave
33-V/Pichacani
33-U/Ichuna33-t/Characato
32-U/Lagunillas
32-t/Callali
31-t/Condoroma
29-q/Antabamba
PERU
CHIL
E
BOLI
VIA
DESAGUADERO
ILAVE
Lagunillas
Palca
Lag. Suches
AREQUIPALag. Salinas
San Bartolome
Antabamba
Lag. Vizcachani
Sta. Lucia
Lago Titicaca
Lag. Lariscota
0 5 0 1 0 0 km .
N
35-X/Rio Maure
36-X/Palca
34-Y/Pizacoma
34-v/Huaytire
33-X/Ilave
33-V/Pichacani
33-U/Ichuna33-t/Characato
32-U/Lagunillas
32-t/Callali
31-t/Condoroma
29-q/Antabamba
PERU
CHIL
E
BOLI
VIA
DESAGUADERO
ILAVE
Lagunillas
Palca
Lag. Suches
AREQUIPALag. Salinas
San Bartolome
Antabamba
Lag. Vizcachani
Sta. Lucia
Lago Titicaca
Lag. Lariscota
0 5 0 1 0 0 km .
N
FIGURA16 - ABRANGÊNCIA DA BACIA SEDIMENTAR DAFORMAÇÃO MAURE NO ALTIPLANO
Fm. Maure
Amplitude da bacia Maure no Peru
Afloramiento desde el
cuadángulo de Antabamba
– Apurimac (Lat 14 ° Sur).
Hasta cuadrángulo de
Palca en Tacna (18° Lat
Sur)
Dpto de la Paz
Extensión ± 600 Km de NW - SEArequipa
Antabamba
BOLIVIA
CHILE
Desag
uadero
Ilave
Lagunillas
Fm. Maure
Amplitud de cuenca
AMPLITUD DE LA FORMACION MAURE EN EL PERÚ
Rolando Apaza Campos
HIDROGEÓLOGO
MODELO CONCEPTUAL DE ACUIFERO MAURE EN LA
CORDILLERA OCCIDENTAL DEL SUR DEL PERU
Fte: Rolando Apaza 2005
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